Quinasa dependiente de ciclina

Las quinasas dependientes de ciclina (CDK) son un grupo predominante de proteínas quinasas de serina/treonina involucradas en la regulación del ciclo celular y su progresión, asegurando la integridad y funcionalidad de la maquinaria celular. Estas enzimas reguladoras juegan un papel crucial en la regulación del ciclo celular eucariota y la transcripción , así como en la reparación del ADN, el metabolismo y la regulación epigenética , en respuesta a varias señales extracelulares e intracelulares. ^{[1] [2]} Están presentes en todos los eucariotas conocidos , y su función reguladora en el ciclo celular se ha conservado evolutivamente. ^{[3] [4]} Las actividades catalíticas de las CDK están reguladas por interacciones con inhibidores de CDK (CKI) y subunidades reguladoras conocidas como ciclinas. Las ciclinas no tienen actividad enzimática por sí mismas, pero se activan una vez que se unen a las CDK. Sin ciclina, la CDK es menos activa que en el complejo heterodímero ciclina-CDK. ^{[5] [6]} Las CDK fosforilan proteínas en residuos de serina (S) o treonina (T). La especificidad de las CDK para sus sustratos está definida por la secuencia S/TPXK/R, donde S/T es el sitio de fosforilación, P es prolina, X es cualquier aminoácido y la secuencia termina con lisina (K) o arginina (R). Este motivo garantiza que las CDK se dirijan con precisión a las proteínas y las modifiquen, lo que es crucial para regular el ciclo celular y otras funciones. ^[7] La ​​desregulación de la actividad de las CDK está relacionada con diversas patologías, entre ellas el cáncer, las enfermedades neurodegenerativas y los accidentes cerebrovasculares. ^[6]

Las CDK se identificaron inicialmente a través de estudios en organismos modelo como levaduras y ranas, lo que subraya su papel fundamental en la progresión del ciclo celular. Estas enzimas funcionan formando complejos con ciclinas, cuyos niveles fluctúan a lo largo del ciclo celular, lo que garantiza transiciones oportunas del ciclo celular. Con el paso de los años, la comprensión de las CDK se ha ampliado más allá de la división celular para incluir funciones en la integración de señales celulares mediante la transcripción genética. ^{[7] [8]}

El recorrido evolutivo de las CDK ha dado lugar a una familia diversa con miembros específicos dedicados a las fases del ciclo celular o al control transcripcional. Por ejemplo, la levadura en ciernes expresa seis CDK distintas, algunas de las cuales se unen a múltiples ciclinas para el control del ciclo celular y otras se unen a una sola ciclina para la regulación de la transcripción. En los seres humanos, la expansión a 20 CDK y 29 ciclinas ilustra sus complejas funciones reguladoras. Las CDK clave como la CDK1 son indispensables para el control del ciclo celular, mientras que otras como la CDK2 y la CDK3 no lo son. Además, las CDK transcripcionales, como la CDK7 en los seres humanos, desempeñan funciones cruciales en la iniciación de la transcripción mediante la fosforilación de la ARN polimerasa II ( RNAPII ), lo que indica el intrincado vínculo entre la regulación del ciclo celular y la gestión transcripcional. Esta expansión evolutiva desde simples reguladores a enzimas multifuncionales subraya la importancia crítica de las CDK en las complejas redes reguladoras de las células eucariotas. ^[7]

En 2001, los científicos Leland H. Hartwell, Tim Hunt y Sir Paul M. Nurse recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por su descubrimiento de los reguladores clave del ciclo celular. ^[9]

• Leland H. Hartwell (nacido en 1929): a través de estudios sobre levaduras en 1971, Heartwell identificó genes cruciales para la división celular, describiendo las etapas del ciclo celular y los puntos de control esenciales para prevenir la división celular cancerosa. ^{[9] [10]}
• Tim Hunt (n. 1943): A través de estudios sobre erizos de mar en la década de 1980, Hunt descubrió el papel de las ciclinas en la regulación de las fases del ciclo celular a través de su síntesis y degradación cíclica. ^{[9] [11]}
• Sir Paul M. Nurse (n. 1949): A mediados de la década de 1970, los estudios de Nurse descubrieron el gen cdc2 en la levadura de fisión, que es crucial para la progresión del ciclo celular de la fase G1 a la S y de la fase G2 a la M. En 1987, identificó el gen correspondiente en humanos, CDK1, destacando la conservación de los mecanismos de control del ciclo celular en las distintas especies. ^{[9] [12]}

La CDK es una de las aproximadamente 800 proteínas quinasas humanas . Las CDK tienen un peso molecular bajo y se sabe que son inactivas por sí mismas. Se caracterizan por su dependencia de la subunidad reguladora, la ciclina. La activación de las CDK también requiere modificaciones postraduccionales que implican reacciones de fosforilación . Esta fosforilación ocurre típicamente en un residuo de treonina específico, lo que lleva a un cambio conformacional en la CDK que mejora su actividad quinasa. ^[13] La activación forma un complejo ciclina-CDK que fosforila proteínas reguladoras específicas que son necesarias para iniciar los pasos en el ciclo celular. ^[5]

En las células humanas, la familia CDK comprende 20 miembros diferentes que desempeñan un papel crucial en la regulación del ciclo celular y la transcripción. Estos suelen separarse en CDK del ciclo celular, que regulan las transiciones del ciclo celular y la división celular, y CDK transcripcionales, que median la transcripción genética. CDK1 , CDK2 , CDK3 , CDK4 , CDK6 y CDK7 están directamente relacionadas con la regulación de los eventos del ciclo celular, mientras que CDK7-11 están asociados con la regulación transcripcional. ^[1] Diferentes complejos ciclina-CDK regulan diferentes fases del ciclo celular, conocidas como fases G0/G1, S, G2 y M, que presentan varios puntos de control para mantener la estabilidad genómica y garantizar una replicación precisa del ADN. ^{[1] [5]} Los complejos ciclina-CDK de la fase anterior del ciclo celular ayudan a activar los complejos ciclina-CDK en la fase posterior. ^[4]

Las quinasas dependientes de ciclina (CDK) tienen principalmente una configuración de dos lóbulos, característica de todas las quinasas en general. Las CDK tienen características específicas en su estructura que desempeñan un papel importante en su función y regulación. ^[2]

1. Lóbulo N-terminal (lóbulo N): En esta parte se encuentra el elemento inhibidor conocido como bucle G rico en glicina. El elemento inhibidor se encuentra dentro de las láminas beta en este lóbulo N-terminal. ^{[4] [2]} Además, hay una hélice conocida como hélice C. Esta hélice contiene la secuencia PSTAIRE en CDK1. Esta región juega un papel crucial en la regulación de la unión entre las quinasas dependientes de ciclina (CDK) y las ciclinas. ^{[7] [2]}
2. Lóbulo C-terminal (lóbulo C): Esta parte contiene hélices α y el segmento de activación, que se extiende desde el motivo DFG (D145 en CDK2) hasta el motivo APE (E172 en CDK2). Este segmento también incluye un residuo sensible a la fosforilación (T160 en CDK2) en el llamado bucle T. El segmento de activación en el lóbulo C sirve como plataforma para la unión de la región Ser/Thr fosfoaceptora de los sustratos. ^{[7] [4] [2]}

El sitio activo, o sitio de unión de ATP , en todas las quinasas es una hendidura ubicada entre un lóbulo amino-terminal más pequeño y un lóbulo carboxi-terminal más grande. La investigación sobre la estructura de CDK2 humana ha demostrado que las CDK tienen un sitio de unión de ATP especialmente adaptado que puede regularse a través de la unión de ciclina. La fosforilación por la quinasa activadora de CDK (CAK) en Thr160 en el bucle T ayuda a aumentar la actividad del complejo. Sin ciclina, un bucle flexible conocido como bucle de activación o bucle T bloquea la hendidura, y la posición de varios aminoácidos clave no es óptima para la unión de ATP. ^{[2] [14]} Con ciclina, dos hélices alfa cambian de posición para permitir la unión de ATP. Una de ellas, la hélice L12 ubicada justo antes del bucle T en la secuencia primaria, se transforma en una cadena beta y ayuda a reorganizar el bucle T para que ya no bloquee el sitio activo. La otra hélice alfa, conocida como hélice PSTAIRE, se reorganiza y ayuda a cambiar la posición de los aminoácidos clave en el sitio activo. ^{[6] [14]}

La especificidad de la unión de la ciclina a la CDK es considerable. Además, la unión de la ciclina determina la especificidad del complejo ciclina-CDK para determinados sustratos, lo que pone de relieve la importancia de las distintas vías de activación que confieren especificidad de unión de la ciclina a la CDK1. Esto ilustra la complejidad y el ajuste fino de la regulación del ciclo celular a través de la unión selectiva y la activación de las CDK por sus respectivas ciclinas. ^{[15] [16]}

Las ciclinas pueden unirse directamente al sustrato o localizar la CDK en un área subcelular donde se encuentra el sustrato. El sitio de unión de RXL   fue crucial para revelar cómo las CDK mejoran selectivamente la actividad hacia sustratos específicos al facilitar el acoplamiento del sustrato. ^[17] La ​​especificidad del sustrato de las ciclinas S se imparte por el lote hidrofóbico, que tiene afinidad por las proteínas del sustrato que contienen un motivo hidrofóbico RXL (o Cy). ^[4] La ciclina B1 y B2 pueden localizar CDK1 en el núcleo y el Golgi, respectivamente, a través de una secuencia de localización fuera de la región de unión de CDK. ^{[4] [16]}

Para lograr la actividad completa de la quinasa, se requiere una fosforilación activadora en una treonina adyacente al sitio activo de la CDK. ^[18] La identidad de la quinasa activadora de CDK (CAK) que lleva a cabo esta fosforilación varía entre los diferentes organismos modelo. El momento de esta fosforilación también varía; en las células de mamíferos , la fosforilación activadora ocurre después de la unión de la ciclina, mientras que en las células de levadura, ocurre antes de la unión de la ciclina. La actividad de la CAK no está regulada por las vías conocidas del ciclo celular, y es la unión de la ciclina el paso limitante para la activación de la CDK. ^[4]

A diferencia de la fosforilación activadora, la fosforilación inhibidora de CDK es crucial para la regulación del ciclo celular. Varias quinasas y fosfatasas controlan su estado de fosforilación. Por ejemplo, la actividad de CDK1 está controlada por el equilibrio entre   las quinasas WEE1 , las quinasas Myt1 y la fosforilación de   las fosfatasas Cdc25c . Wee1, una quinasa preservada en todos los eucariotas, fosforila CDK1 en Tyr 15. Myt1 puede fosforilar tanto la treonina (Thr 14) como la tirosina (Tyr 15). La fosforilación la realizan las fosfatasas Cdc25c, eliminando los grupos fosfato tanto de la treonina como de la tirosina. ^{[1] [7]}  Esta fosforilación inhibidora ayuda a prevenir la progresión del ciclo celular en respuesta a eventos como el daño del ADN. La fosforilación no altera significativamente la estructura de las CDK, pero reduce su afinidad por el sustrato, inhibiendo así su actividad. Para que el ciclo celular progrese, estos fosfatos inhibidores deben ser eliminados por las fosfatasas Cdc25 para reactivar las CDK. ^[7]

Un inhibidor de cinasa dependiente de ciclina (CKI) es una proteína que interactúa con un complejo ciclina-CDK para inhibir la actividad de la cinasa, a menudo durante la fase G1 o en respuesta a señales externas o daño del ADN. En las células animales, existen dos familias principales de CKI: la familia INK4 (p16, p15, p18, p19) y la familia CIP/KIP (p21, p27, p57). Las proteínas de la familia INK4 se unen específicamente a CDK4 y CDK6 e inhiben su unión a través de ciclinas de tipo D o CAK, mientras que la familia CIP/KIP previene la activación de heterodímeros CDK-ciclina, interrumpiendo tanto la unión de ciclina como la actividad de la cinasa. ^{[6] [7]} Estos inhibidores tienen un KID (dominio inhibidor de cinasa) en el extremo N, lo que facilita su unión a ciclinas y CDK. Su función principal ocurre en el núcleo, respaldada por una secuencia C-terminal que permite su translocación nuclear. ^[2]

En levaduras y Drosophila , los CKI son fuertes inhibidores de las S- y M-CDK, pero no inhiben las G1/S-CDK. Durante G1, los altos niveles de CKI evitan que los eventos del ciclo celular ocurran fuera de orden, pero no impiden la transición a través del punto de control de inicio, que se inicia a través de las G1/S-CDK. Una vez que se inicia el ciclo celular, la fosforilación por las G1/S-CDK tempranas conduce a la destrucción de los CKI, aliviando la inhibición en las transiciones posteriores del ciclo celular. ^[4] En las células de mamíferos, la regulación de CKI funciona de manera diferente. La proteína p27 de mamíferos (Dacapo en Drosophila) inhibe las G1/S- y S-CDK, pero no inhibe las S- y M-CDK. ^[2]

Los métodos de inhibición basados ​​en ligandos implican el uso de pequeñas moléculas o ligandos que se unen específicamente a CDK2 , que es un regulador crucial del ciclo celular. Los ligandos se unen al sitio activo de CDK2, bloqueando así su actividad. Estos inhibidores pueden imitar la estructura del ATP, compitiendo por el sitio activo y evitando la fosforilación de proteínas necesaria para la progresión del ciclo celular, o unirse a sitios alostéricos, alterando la estructura de CDK2 para disminuir su eficiencia. ^[14]

Las CDK son esenciales para el control y regulación del ciclo celular. Están asociadas a pequeñas subunidades reguladoras subunidades reguladoras ( CKSs ). En células de mamíferos, se conocen dos CKS: CKS1 y CKS2 . Estas proteínas son necesarias para el correcto funcionamiento de las CDK, aunque sus funciones exactas aún no se conocen por completo. Se produce una interacción entre CKS1 y el lóbulo carboxiterminal de las CDK, donde se unen entre sí. Esta unión aumenta la afinidad del complejo ciclina-CDK por sus sustratos, especialmente aquellos con múltiples sitios de fosforilación, contribuyendo así a la promoción de la proliferación celular. ^[20]

Los virus pueden codificar proteínas con homología de secuencia con las ciclinas. Un ejemplo muy estudiado es la K-ciclina (o v-ciclina) del virus del herpes del sarcoma de Kaposi (ver sarcoma de Kaposi ), que activa CDK6. El complejo vCyclin-CDK6 promueve una transición acelerada de la fase G1 a la fase S en la célula al fosforilar pRb y liberar E2F. Esto conduce a la eliminación de la inhibición de la actividad enzimática de la ciclina E–CDK2. Se ha demostrado que la vCyclin contribuye a promover la transformación y la tumorogénesis, principalmente a través de su efecto sobre la fosforilación de p27 pSer10 y el secuestro citoplasmático . ^[21]

Dos tipos de proteínas, p35 y p39 , son responsables de aumentar la actividad de CDK5 durante la diferenciación neuronal en el desarrollo postnatal. ^[22] p35 y p39 juegan un papel crucial en un mecanismo único para regular la actividad de CDK5 en el desarrollo neuronal y la formación de redes. La activación de CDK con estos cofactores (p35 y p39) no requiere la fosforilación del bucle de activación, lo que es diferente de la activación tradicional de muchas otras quinasas. Esto resalta la importancia de activar la actividad de CDK5, que es fundamental para el desarrollo neuronal adecuado, la formación de espinas dendríticas y sinapsis, así como en respuesta a eventos epilépticos. ^{[22] [23]}

Las proteínas del grupo RINGO/Speedy representan un grupo destacado entre las proteínas que no comparten homología de secuencia de aminoácidos con la familia de las ciclinas. Desempeñan un papel crucial en la activación de las CDK. Identificadas originalmente en Xenopus, estas proteínas se unen y activan principalmente las CDK1 y CDK2, a pesar de carecer de homología con las ciclinas. Lo que resulta particularmente interesante es que las CDK activadas por RINGO/Speedy pueden fosforilar sitios diferentes a los que se dirigen las CDK activadas por ciclinas, lo que indica un modo de acción único para estos activadores de CDK no ciclínicos. ^[24]

La desregulación de las CDK y las ciclinas altera la coordinación del ciclo celular, lo que las hace implicadas en la patogénesis de varias enfermedades, principalmente cánceres. Por lo tanto, los estudios de ciclinas y quinasas dependientes de ciclina (CDK) son esenciales para avanzar en la comprensión de las características del cáncer. ^{[2] [25]} La investigación ha demostrado que las alteraciones en ciclinas, CDK e inhibidores de CDK (CKI) son comunes en la mayoría de los cánceres, involucrando translocaciones cromosómicas, mutaciones puntuales, inserciones, deleciones, sobreexpresión génica, mutaciones de cambio de marco, mutaciones sin sentido o errores de empalme. ^[2]

La desregulación de la vía CDK4/6-RB es una característica común en muchos cánceres, a menudo como resultado de varios mecanismos que inactivan el complejo ciclina D-CDK4/6. Varias señales pueden conducir a la sobreexpresión de ciclina D y aumentar la actividad de CDK4/6, lo que contribuye a la tumorogénesis. ^{[1] [2]} Además, la vía CDK4/6-RB interactúa con la vía de señalización p53 a través de la transcripción p21CIP1, que puede inhibir tanto los complejos ciclina D-CDK4/6 como ciclina E-CDK2. Las mutaciones en p53 pueden desactivar el punto de control G1, lo que promueve aún más la proliferación descontrolada. ^{[1] [2]}

Debido a su papel central en la regulación de la progresión del ciclo celular y la proliferación celular, las CDK se consideran objetivos terapéuticos ideales para el cáncer. ^[25] Los siguientes inhibidores de CDK4/6 marcan un avance significativo en el tratamiento del cáncer, ofreciendo terapias dirigidas que son efectivas y tienen un perfil de efectos secundarios manejable.

1. Palbociclib , uno de los primeros inhibidores de CDK4/6 aprobados por la FDA, se ha vuelto esencial en el tratamiento del cáncer de mama avanzado o metastásico HR+/HER2-, a menudo en combinación con terapia endocrina. ^[26]
2. Ribociclib , que demuestra una eficacia similar al palbociclib, también está aprobado para el cáncer de mama avanzado HR+/HER2- y ofrece beneficios para un grupo demográfico de pacientes más jóvenes. ^[27]
3. Abemaciclib destaca por poder utilizarse como monoterapia, además de como tratamiento combinado, para determinadas pacientes con cáncer de mama HR+/HER2-. También ha demostrado eficacia en el tratamiento de pacientes con metástasis cerebrales. ^[27]
4. El trilaciclib ha demostrado su valor al mejorar la calidad de vida de los pacientes durante el tratamiento del cáncer al reducir el riesgo de mielosupresión inducida por la quimioterapia, un efecto secundario común que puede provocar retrasos en el tratamiento y reducciones de dosis. ^[27]

Las complicaciones del desarrollo de un fármaco basado en CDK incluyen el hecho de que muchas CDK no están implicadas en el ciclo celular, sino en otros procesos como la transcripción, la fisiología neuronal y la homeostasis de la glucosa. ^[30] Sin embargo, se necesita más investigación, porque la interrupción de la vía mediada por CDK tiene consecuencias potencialmente graves; aunque los inhibidores de CDK parecen prometedores, se debe determinar cómo se pueden limitar los efectos secundarios para que solo se vean afectadas las células diana. Como tales enfermedades se tratan actualmente con glucocorticoides . ^[31] La comparación con los glucocorticoides sirve para ilustrar los posibles beneficios de los inhibidores de CDK, suponiendo que sus efectos secundarios se puedan abordar de forma más específica o minimizar. ^[32]

• Ciclo celular
• Proteína quinasa
• Catálisis enzimática
• Inhibidor de enzimas

• Quinasas dependientes de ciclina en los encabezados de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.